Conception d’un robot pour l’inspection des parois de réservoirs en acier avec un transducteur acoustique électromagnétique (EMAT)
L’objectif de ce projet est de développer un scanner pour l’inspection et la mesure de l’épaisseur des parois des réservoirs de stockage de carburant hors sol. Il se compose d’un transducteur acoustique électromagnétique (EMAT) monté sur un robot mural à roues. Le transducteur lui-même contient un aimant permanent et une bobine en spirale interfacée avec un pulseur portable et une unité de traitement du signal. Il peut générer et recevoir des ondes ultrasoniques polarisées radialement qui traversent l’épaisseur de la paroi en acier. En mesurant le temps de vol, l’épaisseur de la paroi peut être calculée. Grâce à sa capacité à se déplacer sur les lignes de soudure, le robot permet de scanner rapidement une grande partie de la paroi du réservoir.
La spécification intérieure PowerBox H (PBH) est utilisé pour pulser la bobine EMAT et mesurer le signal reçu. La tension d’impulsion est de 1200 V crête à crête et la fréquence est de 3000 kHz. Le signal reçu subit une première étape de traitement du signal par le PBH. Les données du récepteur sont ensuite envoyées en temps réel via Ethernet à un ordinateur portable exécutant un programme Python, où le signal subit une deuxième étape de traitement du signal et est affiché sur l’interface utilisateur. Le programme Python permet le contrôle du robot et mesure l’épaisseur des parois en temps réel en utilisant le temps de vol comme indiqué précédemment. Les pics de signal utilisés pour le calcul du temps de vol peuvent être soit définis manuellement par l’utilisateur, soit déterminés automatiquement par un algorithme de recherche de pic intégré au logiciel.
Le système robotique est un entraînement différentiel et comporte quatre roues entraînées par des moteurs à courant continu. La vitesse des moteurs est contrôlée par modulation de largeur d’impulsion (PWM) à l’aide de circuits H-bridge qui sont à leur tour contrôlés via un microcontrôleur Arduino UNO. L’Arduino UNO acquiert également des informations de distance à partir d’un encodeur optique. Une batterie 12V 100Ah est utilisée pour fournir l’alimentation. Afin d’adhérer et de scanner la paroi verticale en acier, le robot est doté d’aimants fixés à son châssis. Le robot dispose également d’une caméra installée pour effectuer une inspection visuelle.
Inspection des tuyaux en acier à l’aide de transducteurs acoustiques électromagnétiques (EMAT)
Ce projet explore l’utilisation de transducteurs acoustiques électromagnétiques (EMAT) pour l’inspection des tuyaux en acier. Les EMAT permettent une évaluation rapide de l’épaisseur de paroi des tuyaux en acier sensibles à la corrosion. Cela se fait à l’aide d’ondes de cisaillement ultrasonores horizontales guidées qui sont sensibles à l’épaisseur de la paroi du tuyau. Les EMAT basés à la fois sur les mécanismes de la force de Lorentz et de la magnétostriction sont étudiés. L’objectif est de développer un scanner de parois de canalisations permettant de détecter les amincissements progressifs et les piqûres résultant de la corrosion.
Un prototype de scanner EMAT basé sur la force de Lorentz a été construit. Il comprend un émetteur et un récepteur Lorentz force EMAT, et tous deux sont interfacés avec l’Innerspec PowerBox H, qui est un émetteur/récepteur et une unité de traitement du signal. Les transducteurs sont constitués d’un réseau d’aimants permanents périodiques au-dessus d’une bobine de piste de course et utilisent le mécanisme de force de Lorentz pour induire et recevoir des ondes de cisaillement horizontales guidées dans l’acier. Ils sont reliés par une charnière à deux degrés de liberté conçue pour tenir compte de différents diamètres de tuyaux. Chaque transducteur est équipé d’un jeu de roues pour permettre le balayage d’un tuyau dans la direction axiale. L’émetteur génère des ondes de cisaillement acoustiques horizontales guidées dans la paroi du tuyau qui se propagent dans la direction circonférentielle.
La longueur d’onde des ondes ultrasonores est égale à la période du réseau magnétique des transducteurs et détermine la plage appropriée d’épaisseurs d’acier qui peuvent être inspectées ainsi que la fréquence de fonctionnement. La fréquence est égale à celle de la tension d’excitation appliquée à la bobine émettrice. Il est configuré pour que l’EMAT fonctionne en utilisant le mode d’onde dispersif SH1, sensible aux changements d’épaisseur provoqués par les défauts. Lorsque les EMAT fonctionnent pour utiliser le mode d’onde dispersif SH1, une diminution de l’épaisseur de l’acier entraînera une baisse de l’amplitude du signal en raison de la réflexion des ondes ou de la conversion du mode d’onde en SH0. En analysant les caractéristiques du signal au niveau du récepteur à l’aide d’un programme de traitement du signal développé avec Python, la présence d’un défaut entre les deux transducteurs peut être évaluée.
Un prototype de scanner EMAT basé sur la magnétostriction a également été développé. Les transducteurs sont constitués d’une culasse à aimant permanent avec une bobine en méandre entre ses pôles et utilisent le mécanisme de magnétostriction pour induire et recevoir des ondes de cisaillement horizontales guidées dans l’acier. Comme c’est le cas pour les EMAT basés sur Lorentz, la fréquence est déterminée par la fréquence de la tension d’excitation appliquée à la bobine. Cependant, le réglage de la longueur d’onde de fonctionnement est différent. Pour les EMAT magnétostrictifs, elle est égale à la période de la bobine méandre. Le mécanisme de charnière et le jeu de roues sont similaires à ceux utilisés dans l’autre prototype. La direction de balayage est axiale et la direction de propagation des ondes est circonférentielle, la seule différence entre les deux prototypes réside donc dans les mécanismes d’émission et de réception.
Étant donné que le choix optimal du mécanisme de transduction pour l’émetteur et le récepteur est potentiellement différent, les charnières des prototypes ont été adaptées pour être compatibles. Cela permet la commutation de l’émetteur ou du récepteur entre les deux prototypes pour obtenir un hybride composé de différents types d’EMAT. Pour différentes épaisseurs de tuyaux ou de tôles en acier, le point de fonctionnement de l’EMAT est sélectionné par rapport au point de coupure SH1 pour cette épaisseur. La possibilité de modifier la longueur d’onde a été intégrée à la conception de l’EMAT. Cinq longueurs d’onde comprises entre 0,33 pouce et 1 pouce devaient être utilisées. Cette plage a été choisie de manière à correspondre à la région de fonctionnement entre les fréquences de coupure SH1 et SH2 pour des tôles d’acier d’épaisseur allant de 3 mm à 11 mm.
Mesure de l’épaisseur de l’acier à travers l’isolation à l’aide de courants de Foucault pulsés (PEC)
Les tests par courants de Foucault pulsés (PEC) sont utilisés pour mesurer l’épaisseur d’une éprouvette d’acier même en présence d’une couche isolante entre la sonde de mesure et la surface en acier. La mesure de l’épaisseur est effectuée en induisant des courants de Foucault dans l’éprouvette d’acier en pulsant une bobine et en surveillant le taux de désintégration des courants de Foucault. Le principe derrière la mesure de l’épaisseur PEC est le fait que l’ampleur de la pente de décroissance par courants de Foucault est inversement proportionnelle au carré de l’épaisseur de l’acier. Prendre des mesures sans avoir à retirer les couches d’isolation constitue un avantage majeur pour cette technologie. L’application qui constitue l’objectif principal de ce projet est la détection de la perte d’épaisseur de paroi de canalisation due à la corrosion.
Un prototype avait déjà été développé ainsi qu’une interface logicielle. Le logiciel permet de calibrer le système et de contrôler la durée d’impulsion et le nombre d’échantillons à moyenner. Une autre fonctionnalité est la possibilité d’ajuster la plage dans laquelle le calcul de la pente de décroissance des courants de Foucault est effectué par le logiciel. Cela permet à l’utilisateur de contrôler la fenêtre de signal en fonction du bruit de fond présenté. Le prototype peut être utilisé pour mesurer l’épaisseur des structures en acier même en présence d’isolants et de gaines en aluminium. Les objectifs de nos travaux sont notamment d’étudier l’effet du décollement dû à l’isolation et de déterminer l’amincissement des parois ou les défauts détectables en termes de pourcentage de perte de volume et de surface au sol.
Développement d’un système de fuite de flux magnétique (MFL) AC pour l’inspection des planchers de réservoirs en acier
La fuite de flux magnétique AC (MFL) utilise l’effet de peau pour mieux estimer l’épaisseur de paroi restante des planchers des réservoirs de stockage de carburant hors sol. La plaque d’acier est magnétisée à différentes fréquences et les signaux MFL résultants, qui dépendent de la profondeur de peau correspondante à chaque fréquence, peuvent fournir des informations sur la profondeur des défauts détectés. Les systèmes MFL conventionnels qui utilisent des aimants permanents pour produire un champ magnétique constant ne sont utilisés que pour la détection de défauts et ne sont pas fiables pour l’évaluation quantitative de la profondeur des défauts. L’objectif est de développer un système AC MFL doté de la fonctionnalité supplémentaire de pouvoir estimer la profondeur des défauts.
Un électro-aimant a été conçu et construit afin de développer et tester des algorithmes potentiels basés sur AC MFL. Il est capable de produire des champs magnétiques avec des formes d’onde arbitraires avec une fréquence allant jusqu’à 10 Hz. Pour les besoins de ce projet, le principal intérêt porte sur les champs magnétiques sinusoïdaux. L’idée est de détecter les défauts en utilisant l’électro-aimant en mode DC puis de passer aux champs magnétiques sinusoïdaux pour l’estimation de la profondeur. Le présent algorithme consiste à surveiller la chute de l’amplitude du signal MFL à mesure que la fréquence de fonctionnement augmente. L’hypothèse est que la vitesse à laquelle l’amplitude diminue avec l’augmentation de la fréquence dépend principalement de la profondeur du défaut. La forme d’onde du champ magnétique est produite par le courant dans les bobines de l’électro-aimant induit par la tension appliquée par un circuit H-bridge. La tension appliquée est contrôlée par modulation de largeur d’impulsion à l’aide d’un microcontrôleur Arduino Mega 2560.
Outre l’électro-aimant, une barre de capteurs et un programme Python ont également été développés pour compléter le système MFL. La barre de capteurs se compose d’un réseau de 24 capteurs à effet Hall pour détecter et mesurer le signal MFL. La sortie du capteur est lue à l’aide du convertisseur analogique-numérique d’un microcontrôleur Teensy 3.5. Le programme Python est utilisé pour acquérir et filtrer les données. Il enregistre également les données dans un fichier CSV et les trace sous forme de tracés 2D ou 3D. Il existe un filtre logiciel avec une fréquence de coupure réglable pour rejeter le bruit du signal causé par les variations de vitesse de balayage.
Utilisation de la fuite de flux magnétique 3D (MFL) pour l’inspection des fonds de réservoirs en acier
La fuite de flux magnétique (MFL) est une technique de contrôle non destructif couramment utilisée pour inspecter les sols des réservoirs de stockage de carburant. Une partie de la plaque d’acier est saturée magnétiquement et, en présence d’un défaut, le champ magnétique fuira dans la direction normale à la surface. Ce signal de champ magnétique peut être capté par un réseau de capteurs à effet Hall. Ce projet étudie la mesure des signaux MFL dans les trois directions. La MFL mesurée uniquement dans la direction normale à l’échantillon inspecté est actuellement utilisée comme outil de dépistage pour la détection des défauts. Les informations supplémentaires peuvent potentiellement aider à l’évaluation quantitative des défauts détectés. L’objectif est de développer un algorithme qui combine les données collectées le long des trois axes pour obtenir une estimation de la forme et de la taille du défaut dans toutes les dimensions.
Pour répondre aux besoins du projet, un système d’acquisition de données pour capteurs magnétiques en 3 dimensions a été développé. Le système devait être capable de détecter les défauts, de sauvegarder les résultats de détection en 3 dimensions en fonction de la position, de permettre la quantification de la largeur et de la longueur des défauts, et de fournir les éléments nécessaires pour analyser les conditions dans lesquelles une estimation de la profondeur des défauts sera réalisée. La première étape du processus consistait à acquérir et à sauvegarder les informations. Comme l’information requise était l’amplitude et la variation du champ magnétique selon trois axes orthogonaux, il était nécessaire de concevoir et fabriquer un système adéquat d’un point de vue matériel et logiciel.
Pour analyser la fuite de flux magnétique, il fallait un système d’acquisition de données (DAQ) rapide, fiable et doté d’une résolution suffisamment élevée. Le système DAQ devait inclure des capteurs magnétiques 3D, un logiciel d’interface de capteur, un micrologiciel pour la mise en œuvre de l’architecture multicapteur avec un dispositif logique programmable complexe (CPLD), un logiciel d’exploitation du microcontrôleur et un logiciel pour l’interface utilisateur, l’affichage et l’analyse des données. Les composants matériels et logiciels du système DAQ devaient être conçus et fabriqués pour répondre au mieux aux caractéristiques générales mentionnées précédemment. Les solutions choisies pour chaque élément du processus DAQ devaient être compatibles avec la configuration existante de 16 capteurs et avec la configuration étendue de 32 ou 64 capteurs si une résolution plus élevée devait être mise en œuvre à l’avenir. Pour garantir une communication rapide et flexible, il était nécessaire d’implémenter un port Ethernet sur le microcontrôleur. Le système devait également être capable d’afficher les données de 16 capteurs, avec 3 axes par capteur, en temps réel. Cela représente un total de 48 canaux d’acquisition de données avec un débit de 100 échantillons par seconde par canal. Les données DAQ devaient également être sauvegardées en temps réel.
Le développement du prototype impliquait la conception, la fabrication, les tests et la mise en œuvre de plusieurs composants. Cela comprenait les 16 capteurs magnétiques pour champs tridimensionnels, le logiciel pour CPLD, la carte microcontrôleur avec communication Ethernet et communication série, le logiciel microcontrôleur, le panneau d’affichage pour 48 canaux à 100 échantillons par seconde en temps réel avec acquisition de données dans un Fichier CSV. Le prototype développé est basé sur les capteurs numériques à effet Hall tri-axes MLX90393. La plage du capteur est de 500 Gauss. Un microcontrôleur TEENSY 4.1 a été utilisée pour l’acquisition de données. Un programme LabVIEW a également été développé comme interface utilisateur pour le système. Le logiciel peut afficher des tracés séparés de la densité de flux magnétique sur les trois axes en temps réel pour tous les capteurs. Le logiciel est également utilisé pour le traitement du signal et la sauvegarde des données. Le traitement du signal implique principalement un filtrage qui diminue l’effet de la magnétisation rémanente des plaques sur le signal.
Détection de fissures de fatigue à base de nanomatériaux
La fatigue est une préoccupation omniprésente et sérieuse dans les structures mécaniques, telles que les avions, les ponts en acier et les réservoirs de gaz. L’initiation et la croissance des fissures de fatigue des composants en service posent un enjeu majeur pour la sécurité humaine. Au Canada, les problèmes de fatigue peuvent être plus importants et exacerbés en raison de l’effet synergique des charges mécaniques, des grandes fluctuations de température et de la corrosion chimique. L’inspection sur site à l’aide de techniques d’essais non destructifs (END) implique une forte implication humaine et manque de surveillance continue de l’état de la structure. En plus du déploiement intermittent des END, il sera très utile de développer un capteur de fissures de fatigue sensible qui permet une détection continue des fissures de fatigue à un stade précoce pour plusieurs sites simultanément.
Le projet se concentrera sur le développement de capteurs de fatigue à base de nanomatériaux permettant une détection précoce et une surveillance à long terme des fissures de fatigue. Plusieurs nanomatériaux de faible dimension et leurs méthodes d’inclusion seront explorés. Le rôle des interfaces nanocharge-matériau à base sera décrypté. Les connaissances développées grâce à ces études seront appliquées au sein du projet pour concevoir des capteurs de fatigue à haute sensibilité et fiabilité.
Une conclusion réussie de ce projet nous permettra de traduire les résultats et les conceptions créées dans le cadre du projet de recherche en capteurs de fatigue entièrement opérationnels à base de nanomatériaux, dotés d’une sensibilité et d’une fiabilité élevées. Cela nous permettra d’être plus compétitifs sur le marché international de la surveillance de l’état des structures. Les avantages supplémentaires incluent la formation des étudiants en ingénierie sur l’utilisation d’équipements techniques de fatigue et de progiciels.
En tant que projet complètement nouveau, les travaux récents ont consisté à réaliser une revue de la littérature sur le sujet en collaboration avec l’Université de Toronto. Cela a commencé par l’identification des technologies actuellement disponibles pour la détection de la fatigue et la détection des contraintes en général. Les catégories suivantes ont été trouvées :
- Capteur électrochimique
- Capteur ultrasonique piézoélectrique
- Capteur d’antenne
- Capteur de contrainte piézoélectrique
- Capteur de courants de Foucault
- Capteur de contrainte capacitif
- Capteur ultrasonique à fibre optique
- Capteur piézorésistif
- Capteur d’émission acoustique
Compte tenu de l’objectif d’une approche de surveillance de l’état des structures principalement passive et de l’expertise de nos collaborateurs dans le domaine des nanomatériaux, les types de capteurs d’intérêt sont les capteurs de contrainte piézoélectrique, les capteurs de contrainte capacitifs et les capteurs piézorésistifs. Tous les trois peuvent surveiller la fatigue de manière passive tout en n’ayant besoin d’énergie que lors de l’acquisition de mesures. En outre, la piézoélectricité, la piézorésistivité ou la permittivité des nanomatériaux peuvent être exploitées. L’utilisation de l’effet piézorésistif dans les nanotubes de carbone (CNT) pour la surveillance de la fatigue a déjà été démontrée expérimentalement en laboratoire.